• Non ci sono risultati.

Analisi teorico-sperimentale di Sistemi Energetici micro-Cogenerativi

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Condividi "Analisi teorico-sperimentale di Sistemi Energetici micro-Cogenerativi"

Copied!
289
0
0

Testo completo

(1)

A

A

l

l

m

m

a

a

M

M

a

a

t

t

e

e

r

r

S

S

t

t

u

u

d

d

i

i

o

o

r

r

u

u

m

m

U

U

n

n

i

i

v

v

e

e

r

r

s

s

i

i

t

t

à

à

d

d

i

i

B

B

o

o

l

l

o

o

g

g

n

n

a

a

RESEARCH DOCTORATE IN

Mechanics and Engineering Advanced Sciences - Project n° 2:

“Fluid Machines and Energy Systems Engineering”

Cycle XXV

Affiliation sector: 09/C1

Scientific-disciplinary sector: ING-IND/08

PhD Thesis title

Theoretical and Experimental Analysis

of

micro-CHP Energy Systems

Presented by: Dr. Eng. Roberta Vecci

PhD School Coordinator:

Supervisor:

Chiar.mo Prof. Ing. Chiar.mo Prof. Ing.

Vincenzo Parenti Castelli Michele Bianchi

(2)
(3)

A

A

l

l

m

m

a

a

M

M

a

a

t

t

e

e

r

r

S

S

t

t

u

u

d

d

i

i

o

o

r

r

u

u

m

m

U

U

n

n

i

i

v

v

e

e

r

r

s

s

i

i

t

t

à

à

d

d

i

i

B

B

o

o

l

l

o

o

g

g

n

n

a

a

DOTTORATO DI RICERCA IN

Meccanica e Scienze Avanzate dell'Ingegneria –

Progetto n° 2: “Ingegneria delle Macchine e dei Sistemi

Energetici”

Ciclo XXV

Settore Concorsuale di afferenza: 09/C1 Settore Scientifico disciplinare: ING-IND/08

TITOLO TESI

Analisi teorico-sperimentale

di

Sistemi Energetici micro-Cogenerativi

Presentata da: Dott.ssa Ing. Roberta Vecci

Coordinatore Dottorato:

Relatore:

Chiar.mo Prof. Ing. Chiar.mo Prof. Ing.

Vincenzo Parenti Castelli Michele Bianchi

(4)
(5)

To my daughter, Alissa

who has endured with patience my choice and

who encourages me to pursue my dreams, every day.

(6)
(7)

ACKNOWLEDGMENTS

My thanks to my superiors for welcoming me into their group giving me the opportunity to realize my dream.

My thanks to Professor Giorgio Negri di Montenegro, my professor during the degree years, for whom I have profound respect.

My thanks are to my supervisor, Professor Michele Bianchi, my guide, for his precious teachings and advice.

A sincere thanks to Professor Antonio Peretto, for the total trust he has given me during all these years.

Finally, a thanks are due to laboratory technicians, Mr. Tarì and, especially, Mr. Stefano Benaglia, for their help and total disponibility.

And above all

My heartfelt thanks go to my parents, and to two special persons who always walked to my side "for better or for worse" during all these years.

(8)
(9)

INTRODUCTION

The micro-CHP (Combined Heat and Power) energy systems, using renewable energy sources are an excellent response to the current issues of environmental impact. Producing, in combined and efficient mode, electricity and heat at low temperature directly on-site, using plants of size less than 50 kWel, they, especially for stationary applications in residential and small industries, represent the realization the energy Distributed Generation (GD) concept, an important strategy in the production scenario in the medium term.

Following this idea, the Ph.D. activity has pursued the aim of conceptual development and subsequent implementation of an Integrated Energy System (IES), capable of meeting the energy requirements and thermal properties of specific users, using different types of fuel, with the integration of electric generators in Renewable Energy Sources (RES), and electric and thermal accumulation systems, totally controlled by an automatic management control system.

To this end, in the first doctoral years the study of micro-CHP energy systems components, such as the combustion chambers of Micro Gas Tturbines (MGT), reactors, and pyrolyzer for the production of syngas from scrap tires has been addressed.

Specifically, the thermo-fluid dynamics (CFD) numerical analysis activity of MGT combustion chambers was carried out, evaluating turbulence and combustion models, and also by defining chemical kinetics mechanisms valid for the combustion of syngas, biogas and natural gas. Finally, the validation of the results obtained through the comparison with the experimental data has been made (De

Pascale, M.Fussi, A.Peretto, R.Vecci, "Numerical investigation of a swirled flame model combustor fed with pyrolysis gas," ECOS 2011 - The 24th International

(10)

Conference on Efficiency, Cost, Optimization, Simulation and Environmental Impact of Energy Systems, Novi Sad - Serbia, July 4-7, 2011., - M. Fussi, R.Vecci, 'potential' of renewable fuels "low-Btu" gas turbine "- The search there and you see - Palazzo D'Accursio-Bologna, 28-29 May 2010, Poster).

The need to environmentally recover scrap tires has led to the study (using three-dimensional CFD codes), the design and the definition of the control methods of a pyrolysis pilot plant. The plant is pending patents definition.

Having the availability of a Polymeric Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFC), the coupling of which with an electrochemical storage system was developed and tested in a previous Ph.D. activity, at the DIN’s (previously DIEM) laboratory, the research has continued with the implementation of the conceptually conceived Integrated Energy System (IES).

After having built the system, the attention has been focused on the energy source of the above system, a 5 kWel PEMFC, on which numerous experimental campaigns for determining the PEMFC system electrical performance (polarization curve, powers, efficiencies of the fuel cell system) and CHP performance (thermal power, optimum cooling system temperatures, heat exchange with users, efficiencies), under different operating conditions.

Furthermore, the degradation mechanisms of the PEMFC system, in particular due to the flooding of the anodic side, have been assessed.

The analysis of the effect of the water management of the anodic exhaust at variable FC loads has been carried out, and the purge process programming logic was optimized, leading also to the determination of the optimal flooding times by varying the AC FC power delivered by the cell.

Then, for the analysis of the fuel (hydrogen, H2) utilization factor, an algorithm

for its calculation from the experimental data, able to determine the amount of not-reacted H2 and, therefore, the causes which produce the loss has been developed.

The algorithm considers the FC like a black box, so it doesn’t need access to its internal component and can be applied during the normal FC lifecycle. Through this algorithm the presence of the H2 crossover phenomenon was experimentally

(11)

Therefore, the ageing suffered by the FC system has been analyzed. An experimental tests campaign, comparing recent data with historical ones, was carried out to verify the aging suffered by the cell, the components involved and their main causes.

This thesis is completely dedicated to the detailed description of the latter investigation, conducted on experimental IES realized. This study, joining together theoretical and conceptual realization of an idea and its exploration by innovative mean is, I think, by mechanical engineer "old-fashioned" as I am, the culmination of personal fulfillment from an engineering standpoint.

(12)
(13)

ABSTRACT

In the framework of the micro-CHP (Combined Heat and Power) energy systems and the Distributed Generation (GD) concept, an Integrated Energy System (IES) able to meet the energy and thermal requirements of specific users, using different types of fuel to feed several micro-CHP energy sources, with the integration of electric generators of renewable energy sources (RES), electrical and thermal storage systems and the control system was conceived and built. A 5 kWel Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC) has been studied. Using experimental data obtained from various measurement campaign, the electrical and CHP PEMFC system performance have been determinate.

The analysis of the effect of the water management of the anodic exhaust at variable FC loads has been carried out, and the purge process programming logic was optimized, leading also to the determination of the optimal flooding times by varying the AC FC power delivered by the cell.

Furthermore, the degradation mechanisms of the PEMFC system, in particular due to the flooding of the anodic side, have been assessed using an algorithm that considers the FC like a black box, and it is able to determine the amount of not-reacted H2 and, therefore, the causes which produce that.

Using experimental data that cover a two-year time span, the ageing suffered by the FC system has been tested and analyzed.

Keywords

(14)
(15)

TABLE OF CONTENTS 

Nomenclature……….…………...i  Introduction………vii  1.  The fuel cell technology ... 1‐1  1.1  The history of the fc technology [1‐12] ... 1‐2  1.2  Description of the FC technology ... 1‐11  1.3  FCs  tipology ... 1‐14  1.3.1  The AFC (Alkaline FC) ... 1‐15  1.3.2  The DMFC (Direct Methanol FC) ... 1‐17  1.3.3  The PAFC (Phosphoric acid fuel cells) ... 1‐19  1.3.4 The MCFC (Molten Carbonate FC) ... 1‐20  1.3.5   SOFC (Solid Oxide FC) ... 1‐23  1.3.6 The PEM (Proton Exchange Membrane FC) ... 1‐25  1.4  The Proton Exchange Membrane Fuel Cell: PEMFC ... 1‐26  1.4.1  PEMFC: principle of operation and components ... 1‐27  1.5  The stack ... 1‐34  1.6  Balance of Plant ... 1‐36  1.7  Thermodynamics ... 1‐37  1.7.1  Enthalpy of reaction ... 1‐37  1.7.2  Reversible cell potential ... 1‐38  1.7.3  Voltage losses ... 1‐41  1.7.4  Efficiency of the fuel cell ... 1‐44 

(16)

1.7.5  Operating Condition: ... 1‐46  1.8  PEMC application and current status ... 1‐49  References to chapter 1 ... 1‐53  2.  The Integrated Energy System ... 2‐1  2.1  The IES test system ... 2‐3  2.2  The components of the Integrated Energy System ... 2‐11  2.2.1  The fuel cell (FC) system ... 2‐11  2.2.2  The batteries and the bidirectional inverter... 2‐24  2.2.3  The photovoltaic (PV) emulator ... 2‐32  2.2.4  The electrical load ... 2‐34  2.2.5  The control system ... 2‐36  2.2.6  Sensors ... 2‐40  2.3  The IES operation states ... 2‐45  2.4  The FC operation programming logic ... 2‐50  References of the chapter 2 ... 2‐52  3.  Experimental analysis of thr IES performance ... 3‐1  3.1  The acquired and calculated variables ... 3‐2  3.2  PEMFC performance analysis ... 3‐6  3.2.1  PEMFC electric performance analysis ... 3‐6  3.2.2  The FC thermal performance analysis ... 3‐28  References to the chapter 3 ... 3‐33  4.  The degradation mechanisms of the PEMFC ... 4‐1  4.1  The main degradation mechanisms of the PEMFC   stack components ... 4‐7  4.1.1  Chemical and/or physical effects ... 4‐8  4.1.2  Extreme external factors ... 4‐15  4.1.3  Poor water management ... 4‐18  4.2  Contamination of the PEMFC components ... 4‐25  4.3  Hydrogen crossover ... 4‐26  References to the chapter 4 ... 4‐32  5.  Anodic exhaust management: analysis and optimization ... 5‐1 

(17)

5.1  The hydrogen purging: motivation, limit and   optimization strategies ... 5‐3  5.2  Experimental investigation on the effects of purging ... 5‐8  5.2.1  Piecewise model of the voltage drop due to flooding ... 5‐12  5.3  Optimized purging strategy ... 5‐14  5.3.1  Application of the optimized strategy ... 5‐16  5.4  Efficiency evaluation of the FC purge programming logic ... 5‐21  5.5  Analysis of the utilization coefficient ... 5‐27  5.5.1  Effect of the flooding duration ... 5‐27  5.5.2  Definition of the not‐reacted hydrogen fraction ... 5‐28  5.5.3  Algorithm for the evaluation of the   not‐reacted hydrogen fraction ... 5‐30  5.5.4  Analysis of the efficiency using the   fractions XDE and XA ... 5‐35  5.6  Experimental result ... 5‐38  5.6.1  Results of the 2010 tests   (Old purge programming logic) ... 5‐39  5.6.2  Results of the 2012 tests   (New purge programming logic) ... 5‐43  References to the chapter 5 ... 5‐56  6.  Ageing of the PEMFC ... 6‐1  6.1  The FC ageing analysis ... 6‐3  References for Chapter 6 ... 6‐15    Conclusions………..c‐1               

(18)

                                   

(19)

Nomenclature

Symbols

A active area

cw water specific heat

C capacity of the battery

E0 standard state reversible cell potential

Er reversible cell potential

Er,T actual cell voltage

F Faraday constant, F =96485 [C/mol]

f

h heat of formation of a reactant

i current

CROSS H

I 2 current induced by H2 crossed over

CROSS H

J 2 H2 crossover rate

K membrane gas permeability

PEM

l membrane thickness

m mass m& mass flow rate Mflow volume flow rate

mmol molecular weight

n number of electrons

Ncel number of fuel cells in the stack

p correction factor for grid losses

P electric power a H P 2 anodic side H 2 partial pressure Q thermal power

Qth recovered thermal power

Qav available thermal power

R universal gas constant

ROhm overall cell resi stance

RH Relative Humidity

T temperature

Tfl flooding time

(20)

ii

Tpu purge time

Uo air utilization factor

Uf fuel utilization factor

v,V voltage

Greeks

α slope of the straight line of the FC voltage

P

α activity of the products   αR activity of the reactants

ΔE fuel chemical energy introduced into the FC   ΔG  Gibbs free-energy change

H

Δ   enthalpy change   ΔS entropy change

∆Tw CHP water temperature difference

a

V

Δ activation polarization

c

V

Δ mass transport or concentration losses

O

V

Δ Ohmic losses

ΔVfl FC voltage drop during the flooding time

ΔVmax maximum allowable FC voltage loss

ΔVp FC voltage drop during the purge time

ΔVrec FC voltage recovery after the OCV opening

PITM δ PITM location η efficiency θ electrolyte temperature   PEM H2

ψ H2 membrane permeability coefficient ρ   density  

(21)

Acronyms and subscripts a anode

A refers to H2 not-reacted for other causes AC Alternate Current

AFC Alkaline FC air of the air

aux of the auxiliaries B blower

Batt of the battery BOL Beginnig Of Life BOP Balance Og Plant BP Bipolar Plates c cathode

CCP Combined Cooling and Power

cell refers to fuel cell

CHP Combined Heat and Power

CO / CO2 carbone monoxide /carbone dioxide

DPEM membrane diffusion coefficient

DC Direct Current DE dead end DM Diffusion Media

DMFC Direct Methanol Fuel Cell

DSP Digital Signal Processing

DV Directional Valve

el, ref reference value for electric production

EOL End Of Life FC Fuel Cell

f faradaic

fl flooding

FPGA Field-Programmable Gate Array

GD Distributed Generation GDL Gas Diffusion Layer GFC Gas Flow Channel GGH Gas-Gas Humidifier H2 (H2) hydrogen

H2O water

(22)

iv HX Heat eXchanger

HT High Temperature IES Integrated Energy System in inlet

id ideal

L Liter

LHV Lower Heating Value LT Low Temperature M through the FC membrane

MEA Membrane-Electrode Assembly mot motor

N Normal temperature and pressure conditions NR No-Reacted

MCFC Molten Carbonate FC O2 oxigen

OCV Outlet Control Valve

OLTC On-Load Tap-Changer transformer

out outlet P pump

PAFC Phosphoric Acid FC PEM Proton Exchange Membrane PES Primary Energy Saving

PID Proportional-Integral- Derivative controller

PMS Power Management System PRV Pressure Reducing Valve Pt platinum

PTFE PolytetraFluoroEthylene

PITM Platinumin-Into-The-Membrane

pu purge rec recovery

RES renewable energy source

s, (stack) of the stack S measuring Sensors SCV Safety Control Valve

SOC State Of Charge of the battery SOFC Solid Oxide FC

(23)

tank of the tank tot total

th, ref reference value for thermal production

vent loss due to the utilization factor

u output of PID controller

(24)
(25)

vii 

INTRODUCTION 

The  electricity  and  heat  energy  consumption  of  residential  and  small  businesses  units is currently satisfied through the separate supply of electricity and heat. In  fact,  to  date,  this  requirement  is  satisfied  by  a  traditional  model  in  which  the  electricity is generated in large power stations, far from the urban catchment area,  and  from  there,  transferred  later  to  individual  users  through  the  complex  transmission and distribution network.  

The  thermal  energy,  instead,  is  generated  directly  at  the  single  user  via  combustion  systems  for  space  heating.  The  above  model,  although  it  is  well  established and tested, is still suffering from multiple disadvantages, in particular a  low  overall  thermodynamic  efficiency,  not  negligible  pollutant  emissions  and  the  necessary  presence  of  an  electricity  distribution  network,  onerous  in  terms  of  operating cost and investment. All of this leads to the end user a quite high cost of  energy purchased  

An alternative to the traditional model are networks of district heating (also  named teleheating) which, fed by cogeneration plants, involving the combination  of  electrical  energy  production  and  heat  and/or  cold  generation  in  a  centralized  manner.  These  networks,  although  solve  most  of  the  disadvantages  listed  above,  are  still  ineffective  in  terms  of  pollutant  emissions  reduction  but,  most  importantly, require a double network of  electricity and thermal distribution and,  therefore,  high  costs  anyway.  Recently  is  gradually  emerging  a  new  concept  of  energy generation (considered in its three forms: electricity, heat and cold), called  " Distributed Generation" (GD), that involves the insertion, in metropolitan areas, of  multiple  high‐efficient  micro‐cogenerative  plants,  able  to  satisfy  a  significant  portion  of  the  household,  commercial  and  office  buildings  energy  requirements  (electrical, heating and air conditioning). 

(26)

viii 

The outstanding feature of the GD is the ability to combine the well‐known  thermodynamic benefits of the cogeneration with high perspective performance of  the most promising systems for micro‐Combined Heat and Power (CHP). This fact  involves  both  a  more  rational  use  of  the  energy  resources  and  a  significant  simplification of the infrastructure required for the energy conveyance. 

In the context of the micro‐CHP energy systems, one of those currently most  promising for residential uses are the fuel cells (FCs) ‐ based energy. 

The  fuel  cell  is  an  energy  conversion  device  that  converts  the  chemical  energy of the fuel (typically hydrogen) directly into electrical energy without the  need  to  go  through  a  combustion  process.  In  fact,  because  it  uses  a  fuel  without  carbon  atoms  and  sulfur  emission  pollutants  such  as  CO,  CO2,  NOx  and  SOx  and  particulates and metals are not present. The only product of the FC is the 'water,  originating from the oxidation of hydrogen. 

The hydrogen, however, is not present in nature as a single molecule, but it is  necessary  to  produce  it.  To  date,  despite  the  promotion  of  the  development  of  clean  technologies  for  hydrogen  production  (e.g.  by  algae  or  bacteria  exploiting  solar  energy),  unfortunately  the  most  economically  advantageous  industrial  systems are those that use fossil fuels as a fuel, in particular methane. Currently,  the only alternative used is the electrolysis process, which through the electrolytic  cell powered by direct current, allows the water molecule splitting into hydrogen  and  oxygen.  Clearly,  this  alternative  is  only  viable  if  the  process  used  for  the  production of the electrical energy required for the process comes from renewable  sources,  such  as  biomass,  hydropower,  wind  power  and  photovoltaic.  Consequently,  the  massive  diffusion  of  hydrogen  will  occur  only  when  these  sources will be economically competitive with conventional sources.  

Nevertheless,  nowadays,  all  industrialized  countries  are  promoting  "H2  economy", that is, a society based on the use of hydrogen and electricity seen as  clean energy carriers, both derived from fossil fuels in the first development and  from  renewable  (and  possibly  also  by  nuclear  power)  in  a  later  and  permanent  phase. 

(27)

ix  The fuel cell is therefore a direct application of two highly topical  issues in  industrialized countries, i.e. the hydrogen as a potential fuel of the future to cope  with the problems of air pollution, in particular the increase in greenhouse gases,  and the scarcity of primary energy sources used up to now. In fact, although the  extraction technologies and geology techniques for the discovery of new fields are  in  continuous  development,  the  developing  countries  energy  demands  and  the  world's population are still strongly increasing. It is estimated that the population  will amount to 8.5 billion in 2020 and 10 billion in 2050 (http://www.bp.com). 

Therefore is in this context that the fuel cell (FC) energy systems are inserted.  In  fact,  they  have  energy  efficiency  significantly  higher  than  that  of  conventional  systems.  This  property  coupled  with  their  different  operating  principle  lead  to  a  significant  reduction  of  the  amount  of  carbon  dioxide  (CO2)  emitted,  on  equal  power  and  heat  products.  The  reduced  local  air  pollutants  emissions  are  also  coupled to an extremely low noise level (less than 60 dBA at 10 meters), due the  absence  of  great  alternative  moving  mechanical  components  like  the  ones  in  compressors  and  internal  combustion  engines.  Another  characteristic  that  distinguishes  the  FC  systems  is  the  modularity,  which  offers  the  possibility  of  increasing  the  installed  power  in  proportion  to  the  growth  of  the  electricity  request,  with  considerable  economic  savings  and  considerably  reduced  construction times. 

To  maximize  the  benefits  from  distributed  generation  in  terms  of  service  continuity  and  participation  to  the  energy  free  market,  energy  systems  that  can  operate  even  in  stand‐alone  mode  or  when  the  network  to  which  they  belong  is  disconnected  from  the  main  national  ones  are  sought.  For  both  traditional  and  innovative  type  distributed  generation  systems  such  as  fuel  cells  or  solar  photovoltaic  (PV)  panels,  the  island  mode  operation  is  made  possible  by  the  presence  of  energy  storage  systems  and  the  development  of  systems  that  implement energy management logics. 

It  is  in  this  context  that  the  research  carried  out  in  this  Ph.D.  thesis  is  inserted.  The  aim  of  this  work  was  the  study  and  implementation  of  a  micro‐ Combined Heat and Power (micro‐CHP) Integrated Energy System (IES) capable of  responding  to  the  electric  and  thermal  energy  demands  of  specific  users,  using 

(28)

different  types  of  fuel,  with  the  integration  of  renewable  energy  sources  (RES)  electric generators and electric and thermal storage systems. 

The  system  has  been  realized  in  the  laboratory  of  the  Departement  of  Industrial (DIN) and, to date consists of a 5 kWel Polymeral Exchange Membrane  (PEM) FC from 5 kWel, as micro‐CHP energy source, powered by hydrogen taken  directly from cylinders, from a 100 Ah lead‐acid battery storage system and a 500  W photovlotaic (PV) module emulator, all connected to a 230 V AC bus through the  inverters  with  specific  characteristic.Also  electric  active  and  reactive  loads  are  present, feed by the common AC bus.  The developed integrate energy system (IES) is able to operate both in stand‐ alone operating conditions, in which the energy system feeds the load and in grid  connected operating conditions, in which the energy system is connected with the  national distribution network. The passage from one to the other above operating  conditions is allowed by the battery bidirectional inverter.  The key features of the IES are essentially the flexibility and the dynamicity.  In  fact  the  system  must  be  able  to  operate  to  vary  the  number  and  type  of  the  micro‐CHP  sources,  the  available  type  of  fuel  and  any  renewable  energy  source.  Furthermore, regardless of the number and type of components, the IES must be  able to meet the variable heat demand of the electricity and heat from the users. 

One of the major problems affecting the development of this technology is the  lifetime that to date is still excessively short. 

The  research  conducted  and  exposed  in  this  PhD  thesis  has  addressed  this  problem by making an innovative contribution that consists in the development of  external  indices  by  which  is  possible  monitor  not  only  the  electric  and  CHP  performance but also  the degradation of the PEMFC during the useful life  

In fact, particular attention has been focused on the PEMFC, present into the  IES,  performance  with  a  black  box,  component  of  the  IES,  without  analyzing  the  individual sub‐component (single elementary cells, bipolar plates, electrodes, gas  diffusion  layers,  membrane,  etc.)  and  not  with  post‐mortem  inspection  of  its  individual components, as generally done until now. 

(29)

xi 

Specifically, in this Ph.D. thesis: 

‐ Chapter 1 provides a description of the FC technology, with a brief summary  of  the  technology  history  and  of  the  different  typological  FC.  In  this  chapter  are  alos  described  the  principle  of  operation,  the  characteristics  and  the  thermodynamics that govern the FC system, focusing in particular on PEM fuell cell  type. 

‐ Chapter 2 describes in detail the developed Integrated Energy System (IES),  all its individual components and the principles of operation.  

‐ Chapter 3 shows the experimental test campaigns carried out on the IES in  order  to  analyze  the  electric  and  thermal  performance  at  variable  load  of  the  PEMFC in study. 

‐ Chapter 4 present a brief description of the main degradation mechanisms  that affected the PEMFC tecnology, as reported in the literature. 

‐  Chapter  5  describes  the  experimental  analysis  performed  on  the  PEMFC  degradation  mechanisms.  In  particular,  the  investigations  of  the  flooding  at  the  anode  side  of  the  stack  and  the  anodic  exhaust  management  optimization  developed  have  been  here  illustred.  Furthermore,  the  fuel  utilization  factor  analysis and the developed algorithm for calculating the amount of the hydrogen 

(H2)  reacted,  not‐reacted  and  expelled  through  the  dead‐end  valve  and  of the  H2 

not‐ reacted due to crossover phenomenon are shown. 

‐  Chapter  6  describes  the  analysis  carried  out  on  the  aging  of  the  PEMFC,  whereas 50 h of not‐continuous operation, which led to show that the main cause 

of the to PEMFC performance degradation at low loads is due to the H2 crossover 

mechanism. 

(30)

xii 

(31)

Chapter 1 

1.

THE FUEL CELL TECNOLOGY 

Fuel  cells  (FCs)  are  defined  as  electrochemical  device  that  directly  convert  chemical energy stored in fuels such as hydrogen to electrical energy.  

Unlike  internal  combustion  engines,  the  fuel  is  not  combusted,  but  the  energy  is  released  electrocatalytically.  This  allows  to  FCs  to  be  a  low  emission  energy  sources and also to own highly energy efficient, especially if the heat produced by  the reaction is also harnessed for space heating, hot water or to drive refrigeration  cycles.  In  fact  the  FCs  efficiency  can  reach  as  high  as  60%  in  electrical  energy  conversion  and  overall  80%  in  co‐generation  of  electrical  and  thermal  energies  with reduction in main pollutants greater than 90% [1].  

(32)

1.1 THE HISTORY OF THE FC TECHNOLOGY [1­12] 

Although the FC is considered a modern technology, its invention dates back more  than  two  centuries  ago.  But  it  was  only  after  the  Second  World  War  that  the  technology  began  to  be  seen  as  promising  technological  solution  and  its  development was promoted. 

In the 1830s, a Welsh judge and physical scientist, Sir William Grove (1811‐1896)  conducted  a  series  of  experiments  on  water  electrolysis.  His  device  (Figure  1.1)  consisted of two platinum electrodes dipped into water acidified with sulfuric acid.  After disconnecting the current, the electrodes, at which hydrogen and oxygen had  been evolved earlier as gases, were polarized, that is, a certain potential difference  was preserved between them. When in this state they were linked by an external  circuit,  a  current  was  found  to  flow  in  this  circuit.  Grove  called  his  invention  a  “voltaic battery”. His results were published in 1839 in the Philosophical Magazine.  This  date  is  historically  regarded  as  the  beginning  of  fuel  cells,  although  Grove  himself  did  not  regard  his  battery  as  a  practical  means  for  producing  electrical  energy.       Figure 1.1: W. Grove (1811­1896) and the “Grove’s cell” present in the letter “On the Gas  Voltaic Battery”.     

(33)

In  1889,  Ludwig  Mond  and  Carl  Langer  conducted  relatively  successful  experiments concerning the generation of electric currents using hydrogen‐oxygen  cells. They researched fuel cells using coal gas as a fuel.  For the first time, the “fuel  cell” term was used. Further attempts to convert coal directly into electricity were  made  in  the  early  twentieth  century  but  the  technology  generally  remained  obscure. 

In  1894  the  German  physical  chemist  Friedrich  Wilhelm  Ostwald  (1853‐1932,  Nobel  Prize  1909)  overcame  the  limitation  of  heat  engines  by  eliminating  the  interim stage of fuel combustion (the formation of thermal energy), using single‐ step conversion of the fuel’s chemical energy into electrical energy. He proposed to  build  devices  for  the  direct  oxidation  of  natural  fuels  with  the  oxygen  of  the  air,  using  the  electrochemical  mechanism  occurring  in  ordinary  batteries  (“cold  combustion”  of  natural  fuels).  A  device  to  perform  this  direct  conversion  was  named “fuel cell”.        Figure 1.2: Friedrich Wilhelm Ostwald (1853­1932), Nobel Prize 1909.       

(34)

In  the  1920  the  cell  research  is  promoted  in  Germany  leading  the  way  in  the  development  cycle  and  carbonate  cells  "solid  oxide  fuel  cells  (SOFC)"  today.  Meanwhile is discovered and understood the process of the combustion chamber  and the oil begins to spread. 

In  1932,  Cambridge  engineering  professor  Francis  Thomas  Bacon  (1904  –  1992)  developed  the  first  AFC  but  it  was  not  until  1959  that  Bacon  demonstrated  a  practical 5 kW fuel cell system. At around the same time, Harry Karl Ihrig fitted a  modified  15  kW  Bacon  cell  to  an  Allis‐Chalmers  agricultural  tractor.  Allis‐ Chalmers, in partnership with the US Air Force, subsequently developed a number  of fuel cell powered vehicles including a forklift truck, a golf cart and a submersible  vessel.      Figure 1.3: Francis Thomas Bacon (1904 – 1992) and his AFC.    Then, only in the late 1950s and early 1960s NASA, in collaboration with industrial  partners,  began  developing  fuel  cell  generators  for  manned  space  missions.  The  first  PEMFC  unit  was  one  of  the  results  of  those  partnerships  this,  with  Willard 

Thomas  Grubb  at  General  Electric  (GE)  credited  with  the  invention.  Another  GE 

researcher,  Leonard  Niedrach,  refined  Grubb's  PEMFC  by  using  platinum  as  a  catalyst on the membranes. The Grubb‐Niedrach fuel cell was further developed in  cooperation  with  NASA,  and  was  used  in  the  Gemini  space  program  of  the  mid‐ 1960s. 

(35)

Contextually, International Fuel Cells (IFC, later UTC Power) developed a 1.5 kW  AFC for use in the Apollo space missions. The fuel cell provided electrical power as  well  as  drinking  water  for  the  astronauts  for  the  duration  of  their  mission.  IFC  subsequently developed a 12 kW AFC, used to provide onboard power on all space  shuttle  flights.  While  research  was  continuing  on  fuel  cells  in  the  West,  in  the  Soviet  Union  fuel  cells  were  being  developed  for  military  applications,  although  much of this early work is still secret. On the other hand, General Motors (GE) had  experimented with its hydrogen fuel cell powered Electrovan fitted with a Union  Carbide  fuel  cell.  Although  the  project  was  limited  to  demonstrations,  it  marked  one  of  the  earliest  road‐going  fuel  cell  electric  vehicles  (FCEV).  From  the  mid‐ 1960s, Shell was involved with developing DMFC, where the use of liquid fuel was  considered to be a great advantage for vehicle applications.  In the 1970s the emergence of air pollution promoted clean air legislation in the  United States and Europe. This mandated the reduction of harmful vehicle exhaust  gases. At the same time, the OPEC oil embargo there was. This led  governments,  businesses and consumers to embrace the concept of energy efficiency. Clean air  and  energy  efficiency  were  to  become  two  of  the  principal  drivers  for  fuel  cell  adoption  in  subsequent  decades,  in  addition  to  the  more  recent  concerns  about  climate change and energy security. Moreover, concerns over oil availability led to  the development of a number of one‐off demonstration fuel cell vehicles, including  models powered by hydrogen or ammonia, as well as of hydrogen‐fuelled internal  combustion engines. Many German, Japanese and US vehicle manufacturers began  to  experiment  with  FCEV,  increasing  the  power  density  of  PEMFC  stacks  and  developing  hydrogen  fuel  storage  systems.  The,  the  focus  shifted  back  to  pure  hydrogen  fuel,  which  generates  zero  harmful  emissions.  Concerns  over  energy  shortages and  higher  oil  prices, also  prompted  the  PAFC  technology.  There  were  significant field demonstrations of large stationary PAFC units for prime, off‐grid  power, including a 1 MW unit developed by IFC. 

Furthermore,  funding  from  the  US  military  and  electrical  utilities  enabled  developments in MCFC technology, such as the internal reforming of natural gas to  hydrogen. The use of an established natural gas infrastructure was a key advantage  in developing fuel cells for large stationary prime power applications. 

(36)

Also in the 1980s, technical and commercial development continued in particular  for  the  PAFCs.  Several  experimental  large  stationary  PAFC  plants  were  built,  but  saw  little  commercial  traction.  With  subsequent  advancements  in  membrane  durability  and  system  performance,  PAFC  were  rolled  out  in  greater  numbers  almost two decades later for large‐scale combined heat and power applications.  US Navy commissioned studies for the use of fuel cells in submarines where highly  efficient,  zero‐emission,  near‐silent  running  offered  considerable  operational  advantages.  

In 1983 the Canadian company Ballard began research into fuel cells, and was to  become a major player in the manufacture of stacks and systems for stationary and  transport applications in later years. 

In the 1990s the attention turned to PEMFC and SOFC technology particularly, for  small  stationary  applications.  These  were  seen  as  offering  a  more  imminent  commercial  possibility,  due  to  the  lower  cost  per  unit  and  greater  number  of  potential  markets  ‐  for  example  backup  power  for  telecoms  sites  and  residential  micro‐CHP.  In  Germany,  Japan  and  the  UK  began  to  be  significant  government  funding devoted to developing PEMFC and SOFC technology for residential micro‐ CHP applications. 

Government  policies  to  promote  clean  transport  also  helped  drive  the  development of PEMFC for automotive applications. The California Air Resources  Board (CARB) introduced the Zero Emission Vehicle (ZEV) Mandate. This was the  first vehicle emissions standard in the world predicated not on improvements to  the  internal  combustion  engine  (ICE)  but  on  the  use  of  alternative  power  trains.  Carmakers such as the‐DaimlerChrysler, General Motors, and Toyota, all of which  had substantial sales in the US, responded to this by investing in PEMFC research.  Companies other than automakers, such as Ballard, continued PEMFC research for  automotive and stationary clean power. Ballard went on to supply PEMFC units to  Daimler  and  Ford.  The  programmers  initiated  in  the  1990s  still  continue,  albeit  with some changes to the strategic focus of some key players. 

(37)

Significant  advances  in  DMFC  technology  occurred  around  the  same  time,  as  PEMFC  technology  was  adapted  for  direct  methanol  portable  devices.  Early  applications included portable soldier‐borne power and power for devices such as  laptops and mobile phones.  

MCFC  technology,  first  developed  in  the  1950s,  made  substantial  commercial  advances,  in  particular  for  large  stationary  applications  in  which  it  was  sold  by  companies such as Fuel Cell Energy and MTU.  

SOFC  technology  also  underwent  substantial  developments  in  terms  of  power  density and durability for stationary applications. Boosted by general optimism in  high‐technology industries, many fuel cell companies listed on stock exchanges in  the  late  1990s,  only  for  prices  to  fall  victim  to  the  crash  in  technology  stocks  shortly after. 

The 2000s were characterized by increasing concerns on the part of governments,  business  and  consumers  over  energy  security,  energy  efficiency,  and  carbon 

dioxide  (CO2)  emissions.  Attention  has  turned  once  again  to  fuel  cells  as  one  of 

several  potential  technologies  capable  of  delivering  energy  efficiency  and  CO2 

savings while reducing dependence on fossil fuels. 

Government and private funding for fuel cell research has increased markedly in  the  last  decade.  There  has  been  a  renewed  focus  on  fundamental  research  to  achieve breakthroughs in cost reduction and operational performance to make fuel  cells  competitive  with  conventional  technology.  A  good  deal  of  government  funding  worldwide  has  also  been  targeted  at  fuel  cell  demonstration  and  deployment  projects.  The  European  Union,  Canada,  Japan,  South  Korea,  and  the  United States are all engaged in high‐profile demonstration projects, primarily of  stationary and transport fuel cells and their associated fuelling infrastructure. The  genuine benefits that fuel cell technology offers over conventional technologies has  played a part in promoting adoption.  Several fuel cell buses were deployed in the  mid‐2000s  as  part  of  the  HyFleet/CUTE  project  in  Europe,  China  and  Australia.  Buses were, and still are, seen as a promising early market application of fuel cells  due to their combination of high efficiency, zero‐emissions and ease of refueling,  and  due  to  the  vehicles  running  on  set  routes  and  being  regularly  refueled  with  hydrogen at their bases. 

(38)

In  the  2007,  fuel  cells  began  to  become  commercial  in  a  variety  of  applications,  when  they  started  to  be  sold  to  end‐users  with  written  warranties  and  service  capability,  and  met  the  codes  and  standards  of  the  markets  in  which  they  were  sold. As such, a number of market segments became demand driven, rather than  being  characterized  by  oversupply  and  overcapacity.  In  particular,  thousands  of  PEMFC  and  DMFC  auxiliary  power  units  (APU)  were  commercialized  in  leisure  applications, such as boats and campervans, with similarly large numbers of micro  fuel  cell  units  being  sold  in  the  portable  sector  in  toys  and  educational  kits.  Demand from the military also saw hundreds of DMFC and PEMFC portable power  units  put  into  service  for  infantry  soldiers,  where  they  provided  power  to  communications  and  surveillance  equipment  and  reduced  the  burden  on  the  dismounted solider of carrying heavy battery packs. 

A  large‐scale  residential  CHP  program  in  Japan  helped  stimulate  commercial  stationary  PEMFC  shipments.  These  units  began  to  be  installed  in  homes  from  2009 Demonstration programs for backup power systems in the USA gave further  impetus to the stationary sector. This was also driven by practical concerns over  the need for reliable backup power for telecoms networks during emergencies and  rescue operations. The inadequacy of diesel generators was illustrated during the  Gulf of Mexico Hurricane Katrina disaster, when many ran out of fuel, disrupting  the telecoms network and hampering relief efforts. The need for reliable on‐grid or  off‐grid stationary power in developing countries also gave a boost to fuel cells.   Hydrogen and natural gas fuelled PEMFC units began to be sold in parts of India  and east Africa to provide primary or backup power to mobile phone masts. The  rapidity  of  mobile  phone  adoption  in  these  regions  means  that  the  conventional  grid infrastructure cannot keep pace with new power demands, or is too unreliable  for  an  effective  mobile  network.  Fuel  cells  provide  a  solution  to  this  previously  unmet need. 

In  transport  applications,  the  greatest  commercial  activity  occurred  in  the  materials handling segment, where there is a strong business case for their use in  place of the incumbent technology, lead acid batteries. Funding for demonstration  fleets of fuel cell materials handling vehicles saw increasing numbers deployed in  warehouses  across  the  USA,  although  the  overall  numbers  remained  small 

(39)

compared  with  those  for  stationary  and  portable  fuel  cells.  Fuel  cell  buses  have  been commercially available for several years and their usefulness has been well  demonstrated. However their cost, at around five times that of a diesel bus, plus  the  cost  of  hydrogen  infrastructure  means  that  they  are  only  used  where  a  city  deems the environmental benefit to be worth the extra investment. Fuel cell cars  are currently only available for lease; these vehicles are being made available by  manufacturers  to  gain  experience  ahead  of  a  commercial  launch  planned  from  2015. 

In the past decade, PEMFC and DMFC have dominated the total market share in the  portable,  stationary  and  transport  sectors.  Their  uptake  by  consumers  has  been  facilitated  by  the  development  of  codes,  standards  and  government  policies  to  lower the barriers to adoption; such as allowing methanol fuel cartridges on board  of aircraft and feed‐in tariffs for fuel cell CHP installations. 

Over the last five years growth in shipments of fuel cells has accelerated rapidly as  various  applications  have  become  commercial.  Portable  fuel  cells  saw  the  most  rapid rate of growth over the period since 2009 as increasing numbers of fuel cell  educational  kits  were  sold  to  consumers.  This  genuine  commercial  market  generated  much‐needed  revenue  for  several  key  players  and  has  allowed  those  companies to invest in research into larger stationary and transport applications.  The portable sector has also been boosted by shipments of APU products for the  leisure market, in particular camping and boating. Shipments in the portable sector  were also augmented by the launch of Toshiba's Dynario fuel cell battery charger  in  2009.  On  a  limited  production  run  of  3,000,  demand  for  the  Dynario  far  outstripped supply. Stationary fuel cell adoption has increased rapidly as the roll‐ out of the Japanese Ene‐Farm project took place and fuel cells for uninterruptible  power supplies (UPS) were adopted in North America. 

The  supply  chain  has  also  been  steadily  growing  alongside  the  increase  in  the  number  of  fuel  cell  system  manufacturers.  There  has  been  an  expansion  of  the  component supply chain and related services, from the manufacturers of MEA to  fuel  and  infrastructure  providers.  Manufacturing  capacity  has  tended  to  increase  more  rapidly  than  output.  This  is  particularly  true  in  North  America,  one  of  the  leading regions for fuel cell manufacturing. 

(40)

The global economic recession of the late 2000s undoubtedly had negative effects  for  certain  fuel  cell  companies.  Limited  credit  availability  and  restrictions  in  government funding, as well as lack of profitability for organizations that were still  mainly R&D focused, caused a number of firms to go out of business. 

The  fuel  cell  industry  has  faced  and  continues  to  face  challenges  as  it  comes  through  a  period  of  recession  and  completes  the  transition  from  R&D  to  commercialization. On the whole, it has survived extremely difficult circumstances.  Although  many  fuel  cell  companies  are  still  far  from  being  profitable,  the  opportunities for growth in the future are very promising. The success of certain  application  segments  in  recent  years  means  that  there  has  been  a  move  to  consolidate  particular  technologies  into  a  standard  reference  design  for  a  particular type of fuel cell. This has led to fuel cells increasingly being developed as  scalable energy solutions capable of serving several different market segments, be  they APU or to power devices such as unmanned aerial vehicles (UAV).       

(41)

1.2 DESCRIPTION OF THE FC TECHNOLOGY 

As it defined by its inventor Grove, a fuel cell (FC) is a “galvanic cell”, e.g. a device  that  generates  electrical  energy  by  converting  the  energy  of  chemical  reactions.  Other varieties of electrochemical power sources are the throw‐away batteries for  domestic  use  and  storage  batteries,  used  for  example  in  automobiles,  personal  computers, cell phones. 

On  the  contrary  of  these  batteries,  in  which  the  chemical  reactions  are  used  to  create electricity, and the reacting materials, as well as the reaction products, are  typically metals or other solid compounds (oxides, salts, etc.)  In fuel cells both the  reactants  and  the  products  are  typically  liquids  or  gases.  This  permits  the  continuous  supply  of  reactants  to  the  cells  and  a  continuous  removal  of  the  reaction  products.  Thus,  fuel  cells  can  be  used  for  power  generation  without  interruption, as long as the reactants are continuously supplied and the reaction  products are removed, without the need to be recharged and/or discharged.   The FC consists of two porous electrodes separated by an electrolyte which carry  out the electrochemical conversion of the energy contained in the fuel introduced  to one of the two electrodes.  Although FCs are classified according to the type of electrolyte, because it changes  in  a  decisive  way  the  kinetics  and  the  type  of  chemical  reactions,  they  present  anyway  similar  thermodynamic  principles  and  gas  diffusion  mechanisms  to  the  electrodes.  In  particular,  a  FC  unit  consists  of  a  stack,  which  is  composed  of  a  number of individual cells.  

Each cell (Figure 1.4) within the stack has two electrodes, one positive called the  cathode, and one negative, called the anode. The reactions that produce electricity  take  place  at  the  electrodes.  Every  fuel  cell  also  has  either  a  solid  or  a  liquid  electrolyte,  which  carries  ions  from  one  electrode  to  the  other,  and  a  catalyst,  which accelerates the reactions at the electrodes. The electrolyte plays a key role ‐  it  must  permit  only  the  appropriate  ions  to  pass  between  the  electrodes.  If  free  electrons  or  other  substances  travel  through  the  electrolyte,  they  disrupt  the  chemical reaction and lower the efficiency of the cell. 

(42)

  Figure 1.4: Single cell scheme.  Precisely, the reacting gases, hydrogen and oxygen (typically is air), are supplied to  the individual electrodes. The overall reaction is split into two partial reactions. On  anode, hydrogen molecules are oxidized, that is, they transfer their electrons to the  metallic electrode with the formation of positive hydrogen ions (protons). At the  other electrode, the cathode, oxygen molecules are reduced, that is, electrons are  transferred to them from the metallic electrode. These two partial reactions taken  together  yield  the  same  product  as  the  overall  reaction.  Thus,  in  the  electrochemical  reaction  scheme,  the  overall  reaction  occurs  as  two  partial  reactions  spatially  separated  at  two  different  electrodes  immersed  into  the  electrolyte  solution.  During  this  reaction,  the  anode  acquires  electrons  and  becomes  negatively  charged,  while  the  cathode  loses  electrons  and  becomes  positively  charged.  To  avoid  accidental  contacts  between  anode  and  cathode  (producing  an  internal  short  of  the  cell)  and  to  avoid  the  intermixing  of  the  fuel  and oxygen, an insulating porous separator is often placed in the gap between the  two electrodes.  

When  the  two  electrodes  are  connected  outside  the  cell  through  some  electrical  device,  the  electrons  flow  from  the  anode  (the  negative  pole  of  the  cell)  to  the  cathode (positive pole). Within the cell, the hydrogen ions formed at the anode are 

(43)

transferred  to  the  cathode  where  they  participate  in  the  electrode  reaction.  The  moving  ions  in  the  solution  and  electrons  in  the  metal  together  yield  a  closed  electrical circuit. When the circuit is closed through the external device, the partial  reactions proceed and the external electric current is maintained continuously, as  long  as  the  reacting  gases  are  supplied  to  the  electrodes.  Thus,  some  of  the  chemical energy of the overall reaction is converted to electrical energy used in the  external  device.  The  remaining  part  of  the  chemical  energy  is  lost  for  practical  purposes and it is dissipated as heat, because extra energy is needed to force the  reaction  to  proceed  at  a  finite  rate  (overvoltage).  However,  this  loss  can  be  considerable less than the loss occurring in the conventional thermal‐mechanical‐ electrical energy conversion systems.  

(44)

1.3 FC

S

 

 

TIPOLOGY  

Fuel  cell  types  are  generally  classified  according  to  the  nature  of  the  electrolyte  they  use.  Although  each  type  requires  particular  materials,  fuels,  operation  temperature and is suitable for different applications.  The main FC typologies are seven:  − PEM (Proton Exchange Membrane FC)   − AFC (Alkaline FC)  − DMFC (Direct Methanol FC)   − PAFC (Phosphoric Acid FC)   − MCFC (Molten Carbonate FC)   − SOFC (Solid Oxide FC)  

The  first  four  types  (AFC,  PEMFC,  and  DMFC)  are  called  low  temperature  FCs,  while  the  last  two  (PAFC,  MCFC  and  SOFC)  are  known  as  middle  and  high‐ temperature FCs. The characteristics for each type are summarized in Table 1.1.   

  PEMFC  PAFC  MCFC  SOFC 

Temperature[°C]  60÷110  190÷200  600÷700  650÷900  Pressure [atm]  1÷3  1÷8  1÷8  1÷14  Size  (Pel) [kW]  1÷250  100÷1000  250÷10000  1÷10000   Efficiency  [%]  30÷40%  38÷45%  45÷55%  45÷60%  Power density   [mW/cm2 ̴700  ̴200  ̴160  200(circular) 500(planar) 

Fuel  H2  H2  H2/CH4/CO  H2/CH4/CO  Oxidant  O2/Air  O2/Air  O2/Air/CO2  O2/Air  Impurity 

Tolerance 

CO<10 ppm  CO< 1% 

H2S,COS<50ppm 

H2S,COS<1 ppm  H2S < 1 ppm 

Reforming  Ext. or int.  External  Ext. or int.  Ext. or int. 

Cogenerazione  Water @ 70‐80°C  Water/steam  Steam  Steam 

(45)

1.3.1 THE  AFC (ALKALINE FC)  

 

Figure: 1.5: The AFC scheme. 

AFCs  use  an  alkaline  electrolyte  such  as  potassium  hydroxide  in  water  and  are  generally fuelled with pure hydrogen. The first AFCs operated at between 100 °C  and 250 °C but typical operating temperatures are now around 70 °C. As a result of  the low operating temperature, it is not necessary to employ a platinum catalyst in  the system and instead, a variety of non‐precious metals can be used as catalysts to  speed  up  the  reactions  occurring  at  the  anode  and  cathode.  Nickel  is  the  most  commonly used catalyst in AFC units.  The reactions that occur to the electrodes are:    cathode anode electrolyte oxigen hydrogen

Anode:  H2 +2(OH)‐ Î 2H2O + 2e‐   (1.1) 

Cathode:  ½O2 + 2H+ + 2e‐ Î 2(OH)‐    (1.2)

(46)

The  oxygen  reduction  reaction  and  hydrogen  oxidation  taking  place  within  the  alkaline medium involving hydroxyl ions. The hydroxyl ion formed by the cathodic  reduction  of  the  water  migrates  through  the  electrolyte,  to  the  anode,  where,  recombining with hydrogen, just oxidized to produce water. 

Due  to  the  rate  at  which  the  chemical  reactions  take  place  these  cells  offer  relatively  high  fuel  to  electricity  conversion  efficiencies,  as  high  as  60%  in  some  applications [13]. 

One of the major problems of an AFC is the formation of carbonates., through the  oxidation of the carbon support present on the electrode "gas diffusion" (in open  circuit condition), it clogs the pores rapidly decreasing the performance of the cell,  By  the  recirculation  of  the  solution  of  KOH,  however,  avoids  the  formation  of  carbonates. Furthermore, the carbon dioxide can be removed from the hydrogen  and  the  air  stream  through  a  system  "iron‐sponge",  which  is  similar  to  the  shift 

reaction which takes place in a reformer, or via the CO2 absorption swing.   This type of fuel cell was the first to be developed, but due to their sensitivity to the  presence of carbon dioxide have been progressively abandoned in favor of other  types of cell. Remain very promising if you have pure hydrogen.                   

(47)

1.3.2 THE DMFC (DIRECT METHANOL FC)  

 

Figure 1.6: The DMFC scheme. 

DMFC  uses  a  polymer  membrane  as  an  electrolyte.  However,  the  platinum‐ ruthenium catalyst on the DMFC anode is able to draw the hydrogen from liquid  methanol, eliminating the need for a fuel reformer. Therefore pure methanol can  be used as fuel, hence the name.  The reactions at the electrodes are:  Methanol offers several advantages as a fuel. It is inexpensive but has a relatively  high energy density and can be easily transported and stored. It can be supplied to  the  fuel  cell  unit  from  a  liquid  reservoir  which  can  be  kept  topped  up,  or  in  cartridges which can be quickly changed out when spent. 

Anode:  CH3OH + H2O Î CO2 + 6H+ + 6e‐  (1.4)

Cathode:  3/2O2 + 6H+ + 6e‐ Î 3H2O   (1.5)

(48)

DMFCs operate in the temperature range from 60 °C to 130 °C and tend to be used  in applications with modest power requirements, such as mobile electronic devices  or chargers and portable power packs. One particular application for DMFC power  units  for  commercial  materials  handling  vehicles.  A  number  of  these  units  have  been  sold  to  commercial  warehouses,  where  the  forklift  trucks  had  been  conventionally  powered  with  battery  packs.  By  switching  to  fuel  cells,  the  warehouses can refuel their trucks in a matter of minutes, compared to the hours it  would take to charge a battery. The fuel cells also eliminate the need for a battery  charging  infrastructure  within  the  warehouse,  thereby  making  more  floor  space  available for other uses.               

(49)

1.3.3 THE PAFC (PHOSPHORIC ACID FUEL CELLS)  

 

Figure 1.7: The PAFC scheme. 

 

PAFCs  consist  of  an  anode  and  a  cathode  made  of  a  finely  dispersed  platinum  catalyst on carbon and a silicon carbide structure that holds the phosphoric acid  electrolyte.   The reactions at the electrodes are:        They are quite resistant to poisoning by carbon monoxide but tend to have  lower efficiency than other fuel cell types in producing electricity. However, these  cells  operate  at  moderately  high  temperatures  of  around  180ºC  and  overall  efficiency can be over 80% if its process heat is harnessed for cogeneration. 

Anode:  H2 Î 2H+ + 2e‐   (1.7)

Cathode:  ½O2 + 2H+ + 2e‐ ÎH2O   (1.8)

(50)

This type of fuel cell is used in stationary power generators, with output in the 100  kW to 400 kW range, to power many commercial premises around the world, and  they are also finding application in large vehicles such as buses. Most fuel cell units  sold before 2001 used PAFC technology.        1.3.4 THE MCFC (MOLTEN CARBONATE FC)     Figure 1.8: The MCFC scheme.   

Molten  carbonate  fuel  cells  (MCFCs)  use  a  molten  carbonate  salt  suspended  in  a  porous  ceramic  matrix  as  the  electrolyte.  Salts  commonly  used  include  lithium  carbonate, potassium carbonate and sodium carbonate. 

(51)

The reactions at the electrodes are:  ‐ Using hydrogen as fuel:    ‐ Using carbone monoxide as fuel:    They operate at high temperature, around 650 °C and there are several advantages  associated with this. Firstly, the high operating temperature dramatically improves  reaction  kinetics  and  thus  it  is  not  necessary  to  boost  these  with  a  noble  metal  catalyst.  The  higher  temperature  also  makes  the  cell  less  prone  to  carbon  monoxide poisoning than lower temperature systems. As a result, MCFC systems  can operate on a variety of different fuels, including coal‐derived fuel gas, methane  or natural gas, eliminating the need for external reformers. 

Disadvantages  associated  with  MCFC  units  arise  from  using  a  liquid  electrolyte  rather than a solid one and the requirement to inject carbon dioxide at the cathode  as  carbonate  ions  are  consumed  in  reactions  occurring  at  the  anode.  There  have  also been some issues with high temperature corrosion and the corrosive nature of  the electrolyte but these can now be controlled to achieve a practical lifetime. 

Anode:  H2 + ½O2 Î H2O          (1.10) 

Cathode:  H2 + CO32‐ Î H2O + CO2 + 2e‐          (1.11) 

(overall reaction)   ½O2 + CO2 + 2e‐ Î CO32‐          (1.12) 

Anode:  CO + ½O2 Î CO2          (1.13) 

Cathode:  CO + CO32‐ Î 2CO2 + 2e‐          (1.14) 

(52)

MCFCs are used in large stationary power generation. Most fuel cell power plants  of megawatt capacity use MCFCs, as do large combined heat and power (CHP) and  combined cooling and power (CCP) plants. These fuel cells can work at up to 60%  efficiency  for  fuel  to  electricity  conversion,  and  overall  efficiencies  can  be  over  80% in CHP or CCP applications where the process heat is also utilized.                                   

(53)

1.3.5 THE SOFC (SOLID OXIDE FC)  

 

 

Figure 1.9: The SOFC scheme. 

 

SOFCs  use  a  solid  ceramic  electrolyte,  such  as  zirconium  oxide  stabilized  with  yttrium oxide, instead of a liquid or membrane. Their high operating temperature  means that fuels can be reformed within the fuel cell itself, eliminating the need for  external reforming and allowing the units to be used with a variety of hydrocarbon  fuels.  They  are  also  relatively  resistant  to  small  quantities  of  sulphur  in  the  fuel,  compared to other types of fuel cell, and can hence be used with coal gas. 

 

This  FC  typology  work  at  very  high  temperatures,  the  highest  of  all  the  fuel  cell  types at around 800 °C to 1,000 °C. They can have efficiencies of over 60% when  converting  fuel  to  electricity;  if  the  heat  they  produced  is  also  harnessed;  their  overall efficiency in converting fuel to energy can be over 80%. 

(54)

The reactions at the electrodes are: 

 

A further advantage of the high operating temperature is that the reaction kinetics  are  improved,  removing  the  need  for  a  metal  catalyst.  There  are  however  some  disadvantages  to  the  high  temperature:  these  cells  take  longer  to  start  up  and  reach  operating  temperature,  they  must  be  constructed  of  robust,  heat‐resistant  materials, and they must be shielded to prevent heat loss. 

There are three different SOFC geometries: planar, coplanar and micro‐tubular. In  the  planar  design,  components  are  assembled  in  flat  stacks  where  the  air  and  hydrogen traditionally flow though the unit via channels built in to the anode and  cathode.  In  the  tubular  design,  air  is  supplied  to  the  inside  of  an  extended  solid  oxide tube (which is sealed at one end) while fuel flows round the outside of the  tube. The tube itself forms the cathode and the cell components are constructed in  layers around the tube. 

SOFCs are used extensively in large and small stationary power generation: planar  types  find  application  in,  for  example,  Bloom  Energy's  100  kW  off‐grid  power  generators and SOFCs with output of a few kilowatts are being tested for smaller  cogeneration  applications,  such  as  domestic  combined  heat  and  power  (CHP).  Micro‐tubular  SOFCs  with  output  in  the  watt  range  are  also  being  developed  for  small portable chargers. 

Anode: 

H2 + O2‐ Î H2O + 2e‐ 

CO + O2‐    ÎCO2 + 2e‐ 

CH4 + 4 O2‐   Î  2H2O + CO2 + 8e‐ 

(1.16) (1.17)  (1.18)

 

Cathode:  ½O2 + 2e‐ Î O2‐  (1.19)

Figura

TABLE OF CONTENTS  Nomenclature…………………………………………………………………………………….…………...i  Introduction…………………………………………………………………………………………………vii  1.  The fuel cell technology ................................................................................................ 1‐
Figure 1.15: The stack. 
Table 1.2: Operating parameter. 
Figure 1.19: The breakdown of fuel cell cost [1]. 
+7

Riferimenti

Documenti correlati

CONCLUSIONS: (i) Resistance must have arisen independently at least three times; (ii) at least one population was already resis- tant to ALS inhibitors when introduced in Italy; (iii)

Ad emergere è la persona umana nella sua dignità, quale centro del pensiero sociale della Chiesa, ovvero, a divenire centro di attenzione non solo in riferimento alle

It can be ob- served how both the care ideology based on care within the family and within the home, and the specificities of live-in care work, create and facilitate the

nella comunità scientifica e quanto la ricorrenza del 25 aprile sia entrata nella coscienza civile del paese e sia percepita come fondamento della convivenza di una comunità.Seguire

Because varying the initial stellar mass in Torino postprocess AGB models cannot explain the range of isotope ratios observed in the grains from this study, we investigate

From the thermalization of both electron- doped and hole-doped systems in the weak-coupling regime, we have shown that the effective temperature of carriers driven out of equilibrium

Consistent with a key role of F-ATP synthase in pore formation (i) partial knockdown of subunit c decreased PTP opening in permeabilized cells [50]; (ii) a T163S mutation on the